基於遙感數據AlamChal地區冰川積雪製圖

基於遙感數據AlamChal地區冰川積雪製圖

N. Roshani , M. J. Valadan Zouj , Y. Rezaei , ar

摘要：利用遙感數據特性來判讀冰雪信息是獲得水文參數的新方法。爲了獲取冰雪信息的特性，目前用於觀測的氣象臺站的數量是遠遠不夠的。本文通過使用遠程遙感數據來消除這些缺陷。冰雪具有不同於絕大多數地物的光譜反射率特性，但是也有類似於雲的反射特性。這可以用中紅外波段來區分它們。本文主要論述了雪蓋面積的提取，遙感影像積雪的判讀等方面的研究。在這項研究中，我們使用地球資源衛星圖像資料。

關鍵詞：水文學  遙感技術  積雪製圖  信息提取  雪蓋面積

1 引言

通常，水文學家都想知道在某一山地有多少水以雪的形式存儲，有多少水以液態形式儲存。一般來說，這些指標都是難以被定量測量的，尤其是在山區（Najafzadeh，Abrishamchi，Tajrishi，2004年）。但是隨着科技的進步，遙感技術正被廣泛的用於各種極端天氣下積雪的測量。遙感（RS）和地理信息系統（GIS）是兩個正在越來越多地被用在冰雪研究的新技術。它們可用於觀測積雪變化，通過結合氣象資料分析，進行必要的向上或向下擴展研究，提出水文變化的反演模型。遙感提供了諸如提取雪蓋面積和積雪水量的估測等方面的數據獲取的優勢。而這些數據對於融雪徑流實時預報來說具有決定因素。

我們應該知道利用雪和冰在不同波段的反射來獲取水文參數的遙感技術。爲了利用遙感技術在水文上的應用，研究的資料應採用合適的圖像。因此，我們應該界定標準，來選擇一個合適的傳感器。

據瞭解，將遙感、地理信息系統和適當的水文模型綜合應用能夠進行有效的水資源管理，能源生產和防洪減災準確的估計（Tekel，2005年）。

在本文中，我們研究了遙感在獲取水文所需參數方面的能力。爲了達到這個目的，首先，考慮冰和雪的電磁波譜反射率的特性。其次，選擇合適的標準傳感器的解釋。最後，對結果進行討論。

2 冰雪的電磁波譜特性

考慮到積雪在電磁波譜的特性，在研究冰雪變化中，使用水資源遙感數據。在積雪研究波段的選擇中，主要以可見光，紅外和微波爲主。

2.1 可見光和近紅外波段

人們眼睛看到的新雪是白色的。這是因爲雪在人眼敏感的波長範圍（大概在0.4µm-0.65µm）具有較高的反射率。當新雪的反射率在可見光波段和紅外波段下降時說明雪開始變老，而反射率的降低主要是由於諸如灰塵、花粉和大氣氣溶膠粒子等污染物的影響。在研究積雪中，通常使用可見光和近紅外遙感數據的好處是因爲圖像較容易被解譯。不過儘管積雪在一定程度上可以容易的被提取出來，但關於雪的含水量信息卻很難獲得(Tekel ,2005)。

2.2 熱紅外波段

熱紅外遙感數據相對於其他波段遙感數據目前很少被用於來測量積雪特性。因爲我們應該認識到積雪的輻射光譜，以確定雪的溫度。儘管收到一些限制，但是熱紅外遙感數據在判讀有雪區和無雪區的邊界時是很有用處的（Rezaei,2004年）。而像可見光和近紅外遙感圖像一樣，雲會對熱紅外圖像的可用性造成影響。但是如果有云的話，雲上的氣溫也可被測量的（Tekel,2005）。

2.3 微波波段

微波波段和微波傳感器的大多數應用程序都對氣候條件敏感。事實上，積雪的物理特性決定了它的微波性能。從性質影響的積雪微波響應包括：深度和水當量、液態水含量、密度、，顆粒大小和形狀、溫度、各層的地表覆蓋物。由於積雪響應與它的狀態變化有關，因此定期監測可被允許。從天氣條件和測量時間上看，微波成像方面的優勢是明顯的，微波具有全天時全天候成像的特點。

在大流域，微波圖像已被用來分析積雪和深度。然而，它們較低的空間分辨率降低了其在山區流域的可用性（Tekel,2005年）。

此外，微波的感應器可以穿透大雪，並獲取有關它的信息，這是光學傳感器不具備的能力。主動微波的傳感器（例如合成孔徑雷達）比被動微波傳感器具有更好的空間分辨率，但需要更多的設備支持。

3 遙感傳感器的選擇

在降低成本和大覆蓋範圍水文應用中使星載遙感是比較受歡迎的選擇（Samantha, 2004）。衛星平臺的選擇主要標準是空間、時間分辨率，盆地面積和氣候條件等。利用遙感技術在進行積雪監測時，獲取一個無雲天氣情況下的遙感圖像是非常重要的優勢。從這個意義上說，地球資源衛星和NOAA衛星圖像比飛機數據要好的多。儘管現在NOAA衛星可以在小規模的地區分析，但由於其具有的空間分辨率，已經存在着許多成功的應用。陸地衛星也可用於小流域地區。然而，無論諾阿和地球資源衛星，它使用可見光和近紅外波段的電磁頻譜時，雲的影響都是主要問題。雖然熱紅外波段不能穿透雲層，但它們可被用於在夜間獲取無雲圖像的可能性。

一種解決雲問題方法是用被動或主動的微波數據。這兩者都可以在夜間或白天獲取。然而即使雲問題被解決了，遙感圖像的解譯則是比光學圖像更加困難的問題。微波圖像判讀困難主要是由於這些圖像是從某一高度獲得的地表或地下地物屬性。

4 研究區概述

AlamChal冰川位於伊朗北部附近的馬贊達蘭省。AlamChal冰川是伊朗一座重要的冰川，其高程範圍在3700m到4250m之間，其最大長度達到4.5km，最大寬度爲2.25km。

5 研究方法與資料

在本文是基於ENVI軟件利用陸地衛星數據及IRS_LISS圖像進行積雪研究的。IRS_LISS影像波段不能反映積雪反射率，因爲其使用的波段中沒有合適的。但是利用陸地衛星的遙感數據，可以進行區分有雪區邊界和無雪區邊界。要獲取積雪信息，我們通過使用歸一化積雪指數NDSI進行提取。歸一化積雪指數計算公式如下：

                 NDSI = [CH(b4)-CH(b6)]/[CH(b4)+CH(b6)]

式中，b4（545-564μm）和b6（1638-1652μm）爲MODIS數據的可見光和短紅外波段。

而且我們可以通過使用K-means非監督分類方法獲取冰雪覆蓋區面積。從陸地衛星數據上我們計算得到積雪覆蓋面積爲4.6km2。

5.1 新雪的提取

如上所述，雪在可見光區的高反射率而連續的新雪在紅外波段的高反射率。要獲得新雪信息，利用陸地衛星數據的第2和第4**的積雪的光譜反射率進行積雪識別。如下圖所示，紅色區域顯示的即爲新雪。

5.2 積雪的解譯

如前所述，積雪在位於陸地衛星數據第4波段和第5波段中有個積雪反射率非常低的區域。我們選擇第4波段和第5波段具有反射率低的成雪區域進行解譯。如下圖所示，綠色區域顯示的即爲成雪。

6 結果分析

獲取遙感積雪數據最重要的參數是雪蓋面積（SCA）。只是通過地面觀測來估計雪蓋面積是非常困難的，但是運用遙感影像數據則比較容易獲取。

（1）衛星圖像在計算雪蓋面積以及山區和其他地區的冰川水文參數時具有很高的性能。

（2）對大規模流域的積雪進行監測時，MODIS和NOAA衛星圖像是合適的。但對小規模流域積雪進行監測時，陸地衛星的影像是合適的，因爲它的分辨率高於MODIS和NOAA衛星圖像的空間分辨率。

（3）爲了從光學圖像上提取積雪特徵，通常選擇可見光波、近紅外和熱紅外段的遙感影像，這是因爲在這些波段，雪的反射率有不同於其他波段的地方。

（4）在水文中的應用有很多，如長短期徑流預報，對於幹雪的被動遙感製圖等。